一种空心轴深小孔表面质量自动化检测装置技术领域
本发明涉及一种空心轴深小孔表面质量自动化检测装置，适用于轨道交通用高速车
轴中心孔及其它直轴类零件的深小孔表面质量进行检验。
背景技术
高速车轴中心孔直径60mm，孔深3000mm。
因此制约研制深小孔表面质量实现自动测量的关键问题在于：(1)粗糙度仪的测
头如何进入问题；(2)粗糙度仪主机与测头长距离分离后信号的解析问题；(3)自动
化装置如何精确将测头轴向和周向精确定位的问题；(4)自动化装置自动建立轴向尺
寸与测量结果的直观表格并给出判定结果的实时处理问题；(5)车轴驱动装置和测头
垂直、水平运动装置的设计能够满足所有轨道交通用车轴形状和尺寸要求的问题。
目前只有技术标准：GB/T7220-2004《产品几何量技术规范(GPS)表面结构轮廓
法表面粗糙度术语参数测量》和GB/T6062-2002《产品几何量技术规范(GPS)表
面结构轮廓法接触(触针)式仪器的标称特性》，但尚无相关的文献报道。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种检测空心轴深小孔表面质量的
自动化装置，解决在生产中只能用肉眼检测，无法用检测仪检测内孔表面光洁度的难题。
本发明解决技术问题采用的技术方案是：一种空心轴深小孔表面质量自动化检测装置，
其特征在于包括：工控机(1)、机械伺服系统(2)、检测系统(3)、伺服控制系统(4)、检
测头(5)、逻辑控制系统(6)，其中：
机械伺服系统(2)用于驱动检测头(5)的检测轨迹，将粗糙度检测驱动器(32)和
粗糙度检测探针(35)精准伺服到指定位置；所述机械伺服系统(2)包括：托架(21)、轴
向驱动杆(22)、轴向驱动器(23)、车轴适配器(24)、两个周向驱动器(25、26)；车轴适
配器(24)用于保证轴向驱动杆(22)和检测头结构支撑(27)与空心轴深小孔(20)的同
轴度，车轴适配器(24)利用空心轴端面外圆与内孔同轴的条件精准固定于空心轴端面，保
证车轴适配器(24)与空心轴深小孔(20)的同轴度；
检测系统(3)包括：粗糙度仪(31)、数据采集模块(33)、信号解析放大模块(34)；
检测头(5)包括：检测头机械支撑机构(51)、探针高度伺服电机(52)、检测头对中
支撑(53)、粗糙度检测驱动器(32)、粗糙度检测探针(35)；检测头机械支撑机构(51)
将探针高度伺服电机(52)、检测头对中支撑(53)、粗糙度检测驱动器(32)、粗糙度检测
探针(35)精确定位并固定；检测头对中支撑(53)保证了检测头(5)与空心轴深小孔(20)
同轴的同时也保证了粗糙度检测驱动器(32)和粗糙度检测探针(35)相对于空心轴深小孔
(20)表面的缝隙，以便空心轴在轴向或周向行走时粗糙度检测探针(35)不被磨损；当到
达指定坐标位时探针高度伺服电机(52)带动粗糙度检测驱动器(32)和粗糙度检测探针(35)
下降至被测表面，以便完成检测工作；
操作者操作工控机(1)通过机械伺服系统(2)将检测头(5)进入车轴适配器(24)，
并确认检测头(5)与车轴适配器(24)同轴；然后，轴向驱动器(23)通过轴向驱动杆(22)
将检测头(5)伺服到轴向坐标点；位于空心轴两端的两个周向驱动器(25、26)带动空心
轴周向旋转到设定角度；逻辑控制系统(6)通过伺服控制系统(4)控制机械伺服系统(2)
使检测头高度伺服电机(24)带动粗糙度检测驱动器(32)和粗糙度检测探针(35)下降至
检测点表面，并对粗糙度仪(31)发出开始检测指令，粗糙度仪(31)通过数据线发指令给
粗糙度检测驱动器(32)，粗糙度检测驱动器(32)驱动粗糙度检测探针(35)在检测点进
行检测，检测数据通过数据线传送给信号解析放大模块(34)后由数据采集模块(33)传送
给工控机(1)，由工控机(1)进行相应的数据处理，实时显示在屏幕上。
所述粗糙度仪(31)和粗糙度检测驱动器(32)之间由数据线连接，为分体式结构。
所述伺服控制系统(4)控制机械伺服系统(2)使粗糙度检测驱动器(32)可以运
行至被测空心轴深小孔(20)表面任何检测点，检测点的数量不受限制，即检测头(5)
可以在任何设定的检测点进行自动检测。
所述轴向驱动器(23)在轴向位置的驱动精度为0.01mm；两个周向驱动器(25、
26)在周向位置的驱动精度为0.1度。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过机械伺服系统保证此装置对深小孔表面质量实现自动检测的能力。
(2)本发明检测过程中，按不同车轴即空心轴型号设定检测点的周向和轴向位置，
使检测头在每个设定工位进行自动检测。
(3)本发明可以对空心轴深小孔内任何部位进行粗糙度的检测，取样点的数量和位
置不受限制，解决了在生产中只能用肉眼检测，无法用检测仪检测内孔表面光洁度的难
题，填补了国内轨道交通用高速车轴中心孔及其他直轴类零件的深小孔表面质量检测中
的空白。
附图说明
图1为本发明的组成框图；
图2为本发明机械伺服系统结构组成框图；
图3为本发明检测系统组成图；
图4为本发明检测系统与机械伺服系统结构关系框图；
图5为本发明中检测头进入内孔的状态图；
图6为本发明的整个控制实现流程图。
具体实施方式
如图1、2、3、4所示，本发明包括：工控机1、机械伺服系统2、检测系统3、伺服控
制系统4、检测头5、逻辑控制系统6。其中机械伺服系统2用于驱动粗糙度检测头5的检测
轨迹；工控机1接收操作者输入的孔内表面检测点位置的轴向深度和轴向角度，向伺服控制
系统4发出工作指令，伺服控制系统4控制机械伺服系统2将检测头5移动到指定的位置，
此时粗糙度检测驱动器32和粗糙度检测探针35在检测点上方。达到后，工控机1通过逻辑
控制系统6发出指令，逻辑控制系统6通过伺服控制系统4控制机械伺服系统2使检测头高
度伺服电机24带动粗糙度检测驱动器32和粗糙度检测探针35下降至检测点表面，并对粗
糙度仪31发出开始检测指令，信号解析放大模块将粗糙度仪检查结果放大解析，数据采集
模块将采集解析放大后的测量数据通过RS232接口传送工控机，由工控机进行相应的数据处
理，实时显示在屏幕上。
如图2所示机械伺服系统2包括：托架21、轴向驱动杆22、轴向驱动器23、车轴
适配器24、两个周向驱动器25、26；如图5所示检测头5包括：检测头机械支撑机构
51、探针高度伺服电机52、检测头对中支撑53、粗糙度检测驱动器32、粗糙度检测探
针35。空心轴深小孔20直径60mm、孔深3000mm。
如图3所示，检测系统3包括：粗糙度仪31、数据采集模块33、信号解析放大模块34。
如图4所示：粗糙度仪31与粗糙度检测驱动器32之间距离较长，所以增加了信号解析
放大模块34。伺服控制系统4控制机械伺服系统2使粗糙度检测驱动器32可以运行至被测
空心轴深小孔20表面任何检测点，检测点的数量不受限制，即粗糙度检测驱动器32可以在
任何设定的检测点进行自动检测。
车轴适配器24用于保证轴向驱动杆22和检测头结构支撑27与空心轴深小孔20的
同轴度，车轴适配器24利用空心轴端面外圆与内孔同轴的条件精准固定于空心轴端面，
保证车轴适配器24与空心轴深小孔20的同轴度。
图5描述了本发明中检测头进入内孔的状态。检测头机械支撑机构51是将探针高
度伺服电机52、检测头对中支撑53、粗糙度检测驱动器32、粗糙度检测探针35精确定
位并固定；检测头对中支撑53保证了检测头5与空心轴深小孔20同轴的同时也保证了
粗糙度检测驱动器32和粗糙度检测探针35相对于空心轴深小孔20表面的缝隙，以便
空心轴在轴向或周向行走时粗糙度检测探针35不被磨损。当到达指定坐标位时探针高
度伺服电机52可以带动粗糙度检测驱动器32和粗糙度检测探针35下降至被测表面，
以便完成检测工作。
粗糙度检测仪31选择分体式粗糙度检测仪，即粗糙度检测仪和粗糙度驱动器之间
由数据线连接，以往产品数据线很短，无法进入3000mm的深小孔，为此增加了信号解
析放大单元可以将粗糙度驱动器与对粗糙度检测仪之间的数据传输距离增加至
3500mm。
操作者操作工控机1通过机械伺服系统2将检测头5进入车轴适配器24，并确认检
测头5与车轴适配器24同轴；然后，轴向驱动器23通过轴向驱动杆22将检测头5伺
服到轴向坐标点；位于空心轴两端的两个周向驱动器25、26带动空心轴周向旋转到设
定角度；逻辑控制系统6通过伺服控制系统4控制机械伺服系统2使检测头高度伺服电
机24带动粗糙度检测驱动器32和粗糙度检测探针35下降至检测点表面，并对粗糙度
仪31发出开始检测指令，粗糙度仪31通过数据线发指令给粗糙度检测驱动器32，粗糙
度检测驱动器32驱动粗糙度检测探针35在检测点进行检测，检测数据通过数据线传送
给信号解析放大模块34后由数据采集模块33传送给工控机1，由工控机1进行相应的
数据处理，实时显示在屏幕上。轴向位置的驱动精度为0.01mm；周向位置的驱动精度
为0.1度。
如图6所示，本发明工作过程如下：
(61)操作者根据需要输入检测点的轴向深度和周向角度是指操作者可以根据需
要选择空心轴型号以及需要检测位置的轴向深度和周向角度，其检测数量也不受限制，
以便一次性将全轴内孔表面质量检测完成。同时工控机1将操作者建立的检测位置数据
文件传递给伺服控制系统4。特点：空心轴型号全覆盖、粗糙度检测取样点的数量不限、
粗糙度检测取样的位置在空心轴深小孔20内孔不受限。
(62)伺服控制系统4将检测头5伺服到检测点是指：伺服控制系统4接到工控机
1传递的检测位置数据文件通过机械伺服系统2将检测头5伺服到检测点。这里需要说
明的是首先选择分体式粗糙度检测仪，即粗糙度仪31和粗糙度检测驱动器32之间由数
据线连接。以往产品数据线很短，无法进入3000mm的深小孔，为此增加了信号解析放
大模块34可以将粗糙度驱动器32与对粗糙度仪31之间的数据传输距离增加至
3500mm，这样才能保证机械伺服系统2能够将粗糙度驱动器32伺服到检测点。
如图2所示机械伺服系统2包括：托架21、轴向驱动杆22、轴向驱动器23、车轴
适配器24、两个周向驱动器25、26；如图5所示检测头5)包括：检测头机械支撑机构
51、探针高度伺服电机52、检测头对中支撑53、粗糙度检测驱动器32、粗糙度检测探
针35。
车轴适配器24用于保证轴向驱动杆22和检测头结构支撑27与空心轴深小孔20的
同轴度，车轴适配器24利用空心轴端面外圆与内孔同轴的条件精准固定于空心轴端面，
保证车轴适配器24与空心轴深小孔20的同轴度。
工控机1接收操作者输入的孔内表面检测点位置的轴向深度和轴向角度，向伺服控
制系统4发出工作指令，伺服控制系统4控制机械伺服系统2将检测头5移动到指定的
位置，此时粗糙度检测驱动器32和粗糙度检测探针35在检测点上方。
(63)逻辑控制系统驱动粗糙度检测头升降到位是指工控机1通过伺服控制系统4
读取检测头5的位置信号，当得知检测头5的位置到达坐标指定检测点时，逻辑控制系
统6通过伺服控制系统4控制机械伺服系统2使检测头高度伺服电机24带动粗糙度检
测驱动器32和粗糙度检测探针35下降至检测点表面。
图5描述了本发明中检测头进入内孔的状态。检测头机械支撑机构51是将探针高
度伺服电机52、检测头对中支撑53、粗糙度检测驱动器32、粗糙度检测探针35精确定
位并固定；检测头对中支撑53保证了检测头5与空心轴深小孔20同轴的同时也保证了
粗糙度检测驱动器32和粗糙度检测探针35相对于空心轴深小孔20表面的缝隙，以便
空心轴在轴向或周向行走时粗糙度检测探针35不被磨损。当到达指定坐标位时探针高
度伺服电机52在机械伺服系统2指令下带动粗糙度检测驱动器32和粗糙度检测探针35
下降至被测表面，以便完成检测工作。
(64)逻辑控制系统驱动粗糙度仪开始检测”是指逻辑控制系统6接到工控机1发出
控制信号给粗糙度仪31开始检测指令，粗糙度仪31发给粗糙度驱动器32检测指令，
粗糙度驱动器32驱动粗糙度检测探针35在空心轴深小孔20内表面进行粗糙度检测。
(65)工控机采集粗糙度数据结果并进行数据处理”是指检测系统3中信号解析放大
模块34接收到粗糙度仪31发来的检测完成信号，开始读取检测结果并放大解析后实时
传给数据采集模块33存储至工控机1内的指定存储区。
同时所述“检测头复位”是指完成数据采集后，探针高度伺服电机52在机械伺服系
统2指令下带动粗糙度检测驱动器32和粗糙度检测探针35上升复位离开被测内表面，
避免检测头5移动时磨损粗糙度检测探针35。
(66)将数据结果实时显示并制图是指工控机(1)的软件接收到数据采集模块33
发来的检测结果，配上(62)所述的检测位置数据文件进行数据处理，并将带有轴向深
度、周向角度、实时粗糙度值在内的结果显示在显示屏上。同时判断是否到达最后一个
检测点，如果没有到达最后一个检测点，系统自动返回(62)循环；如果到达最后一个
检测点本次检测结束。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发
明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修
改，均应涵盖在本发明的范围之内。